[科普中国]-湍流减阻效应

简介

Toms在1948年发现高分子聚合物稀溶液的湍流摩擦阻力比纯溶剂的阻力明显减小，这个异常现象称为湍流减阻现象或Toms效应。由于Toms效应可降低流体机械和流体输送过程的能量消耗，因而已成为近代流体力学的一个热门研究课题。

节约能源消耗是人类一直追求的目标，其主要途径之一就是在各种运输工具的设计中，尽量减少表面摩擦阻力。表面摩阻在运输工具的总阻力中占有很大的比例，在这些运输工具表面的大部分区域，流动都处于湍流状态，所以研究湍流边界层减阻意义重大，已引起了广泛的重视，并已被 NASA 列为 21世纪的航空关键技术之一。

有关减阻的研究可追溯到 20 世纪 30 年代，但直到 20 世纪 60 年代中期，研究工作主要是减小表面粗糙度，隐含的假设是光滑表面的阻力最小。20 世纪70 年代阿拉伯石油禁运和由此引起的燃油价格上涨激起了持续至今的湍流减阻研究的高潮。经过 20 多年的努力，特别是湍流理论的发展，使得湍流减阻理论和应用取得了突破性的进展。就减阻技术讲，有肋条减阻、粘性减阻（它包括柔顺壁减阻、聚合物添加剂减阻以及微气泡减阻等）、仿生减阻、壁面振动减阻等。

肋条减阻自从 20 世纪 70 年代 NASA 兰利研究中心发现具有顺流向微小肋条的表面（以下简称肋条表面）能有效地降低壁面摩阻，从而突破了表面越光滑阻力越小的传统思维方式以后，肋条减阻一直是湍流减阻技术中的研究焦点。

近些年，为了最大限度的实现减阻，人们对肋条形状进行了大量实验和优化设计。柏林的 Bechert 和Brused 等利用一种测量阻力精确度可达 10.3% 的油管对各种肋条表面的减阻效能进行了研究。他们测试了多种形状的肋条，包括三角形的，半圆形的、刃形的，以及三维的肋条。结果表明，V 形肋条减阻效果最好，最大可得到 10%的减阻幅度。Bechert 和他的同事设计并测试了刃形肋条与喷射状狭长切口复合的表面。他们设想通过湍流边界层的压力波动驱动流体在小的切口里如同喷射般的进出，从而产生推力，进一步增大减阻幅度。最终利用这种形状的肋条，测得的最大减阻幅度将近 9%。

大量的研究工作表明了肋条表面减阻的可靠性和可应用性，国外的研究已进入工程实用阶段，空中客车将 A320 试验机表面积的约 70% 贴上肋条薄膜，达到了节油 1% ~ 2% 的效果。NASA 兰利中心对 Learjet 型飞机的飞行试验结果减阻约在 6% 左右。在国内，李育斌等在 1：12 的运七模型具有湍流流动的区域顺流向粘贴肋条薄膜后，试验表明可减小飞机阻力 5% ~ 8%。

粘性减阻粘性减阻就是通过或从外部改变流体边界条件或从内部改变其边界条件，依靠改变边界材料的物理、化学、力学性质或在流动的近壁区注入物理、化学、力学性质不同的气体、液体来改变近壁区流体的运动和动力学性质，从而达到减阻目的的技术。

柔顺壁减阻自从 20 世纪 60 年代 Kramer 利用“人造海豚皮”进行柔顺壁湍流减阻试验以后，许多学者深入进行了理论和实验研究。沃里克大学的 Lucey 等研究了柔顺壁的转捩延迟作用。从理论上证明 Kramer柔顺壁具有充分的转捩延迟作用。他们的数值模拟结果与 Gaster 在 1987 年进行的一系列水池拖曳实验结果相吻合。

聚合物添加剂减阻在牛顿流体中溶入少量长链高分子添加剂，可以大幅度的降低流体在湍流区的运动阻力，减缓湍流的发生。它最早是 Toms1947 年在观察管内流动聚合物机械降解时发现的，故又称 Tom 效应。

聚合物添加剂减阻是通过从液体内侧边界创造条件，以实现减阻。长链高分子聚合物添加剂能导致减阻的共同特点是：其额定分子量数量级都是高达百万的。学者们对于它的减阻机理进行了大量的研究。

聚合物添加剂减阻由于方便实现，在很多领域得到了广泛的应用。尤其用在原油的输送中，可减少长输送管线的中间泵站，节约能源和设备，提高流量和缩短船只的在港停泊时间。例如美国的一条海底输油管线，直径 0.356m，年输能力 800 万桶，添加聚合物减阻剂后，减阻率达 26%，输量提高了 18%，基本取消了驳船。现在世界各国几十个地区的 30多条管线的原油或成品油输送使用了聚合物添加剂。此外，在医学上可以用来减少血液流动的粘性摩阻，增大血流量，以治疗冠心病。在水射流技术方面，也可采用聚合物添加剂，以提高高速水射流的出口动量、切割能力、射喷量和射程。

微气泡降阻早在 18 世纪人们就开始在船壳和水的边界之间注入一层空气，减小其表面摩擦力。但是，由于气液交界面的不稳定性，这种设想在实际中很难应用。微气泡减阻就是基于这种设想提出来的，它有效的避开了气液交界面的不稳定问题。

仿生减阻海洋生物长期生活在水中，经过漫长的岁月，进化出了效率很高的游动机构，其表面摩擦阻力也相当的低。因此通过仿生学的研究，设计出减阻效果更好的结构，一直是学者很感兴趣的问题。

企鹅具有很高的游泳效率，有人做过计算，假定1kg 的南极磷虾的能量为 3700k J，1kg 的南极磷虾食物就能支持一只 4kg 重的 Adeiie 企鹅在寒冷的冰洋水里游 200km。柏林技术大学的 Bannasch 通过在水池中测试与活体企鹅尺寸一致的模型，进行了实验研究。发现其中一种基于三种中等大小企鹅的轴对称型的形状模型在试验中具有很低的层流摩擦阻力。当转捩在身体长度的 5% 处发生时，其表面摩擦系数比湍流中相同长度平板的还要低，同时它随着雷诺数的增加以更快的速度减小。他们认为粘性阻力的减小是由于压力以及速度分布沿着波浪形躯体的复合曲面逐步发展的结果。由于等量的流体加速和减速，沿着企鹅躯干的前端和后端的突起部分的压力梯度几乎是恒定的，因而流速保持相同，在企鹅身体介入部分由凸曲面变为凹曲面处的压力也几乎是恒定不变的。即使是刚性模型，边界层湍流速度波动依然保持在较低的水平。企鹅身体的波状曲面以及柔性壁是它具有极好游动效率的主要原因。他还发现，在多数情况下，鸟类羽毛表面都能观测到波长为 2 ~ 3cm 的规则的横波。

Bechert 对一种模拟鸟类羽毛的被动流体分离控制方法进行了风洞测试。在巡游环境中，对层流翼部分的活动襟翼的测试结果表明机翼上的最大升力增加了 20% 而未发现有负面影响。一架电动滑翔机飞行测试纪录的阻力数据也证明了这一点1。